Несколько БПЛА сотрудничали с 3D-печатью, чтобы построить дом, и исследования были поставлены на обложку природы

Хотели бы вы оставить строительство дронам и позволить им выполнять 3D-печать?

Мы часто можем видеть пчел, муравьев и других животных, занятых гнездованием. После естественного отбора эффективность их работы поражает.

Способность этих животных к делению и сотрудничеству была «передана» БПЛА. Исследование Имперского технологического колледжа показывает нам будущее направление следующим образом:

3D поседение БПЛА:

Это исследование было опубликовано на обложке журнала Nature в среду.

Адрес: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

Чтобы продемонстрировать возможности БПЛА, исследователи использовали пену и специальный легкий цементный материал для создания конструкций высотой от 0,18 м до 2,05 м. По сравнению с исходным чертежом погрешность составляет менее 5 мм.

Чтобы доказать, что система может справляться с более сложным формированием БПЛА, команда создала последовательность задержки светового следа, используя огни на БПЛА для имитации конструкции с высоким куполом.

Мирко Ковач, руководитель исследования и директор лаборатории воздушной робототехники в Имперском колледже, сказал: «Этот метод можно использовать для строительства зданий в Арктике или даже на Марсе или для ремонта высотных зданий, для которых обычно требуются дорогие леса.

Однако в настоящее время эта технология по-прежнему имеет некоторые ограничения, поскольку БПЛА трудно перевозить тяжелые предметы, их необходимо регулярно заряжать и по-прежнему требуется ручное наблюдение. Однако исследователи заявили, что надеются решить некоторые из этих проблем, автоматически заряжая БПЛА во время изучения проекта.

Как реализуется 3D-печать БПЛА? В связи с этим исследователи построили сложную систему.

Введение в исследование

Для повышения производительности и безопасности предлагается технология строительства на основе роботов для сборки строительных компонентов и непрерывного аддитивного производства произвольной формы (AM). По сравнению с методом, основанным на сборке, непрерывный АД произвольной формы позволяет гибко производить геометрически изменяемую конструкцию, которая характеризуется высокой эффективностью и низкой стоимостью. Однако эти крупномасштабные системы должны быть подключены к источнику питания. Их неудобно осматривать, обслуживать и ремонтировать, сложно производить в жестких условиях.

В качестве альтернативы большим одиночным робототехническим системам небольшие мобильные роботы могут обеспечить большую гибкость и масштабируемость. Тем не менее, исследования в области строительства с формированием роботов все еще находятся на ранней стадии разработки. Кроме того, рабочая высота многофункционального робота в настоящее время ограничена, и он не будет работать, если он превышает определенный диапазон. На рисунке ниже показано сравнение роботизированных платформ SOTA, разработанных для аддитивных технологий в строительной отрасли.

По сравнению с существующей роботизированной системой и присущими ей ограничениями, естественные строители продемонстрировали большую приспособляемость в строительстве, и многие используют для достижения этого методы полета и аддитивные методы строительства. Например, ласточки могут пролететь 1200 раз между источником материала и строительной площадкой, чтобы постепенно построить гнездо. Социальные насекомые, такие как термиты и осы, демонстрируют большую степень приспособляемости и масштабируемости: воздушное строительство, проводимое социальными осами, демонстрирует эффективную и прямую оптимизацию пути, снижая потребность в навигации во всем процессе строительства.

Эти естественные системы вдохновляют метод коллективного строительства с использованием мультиагента, который должен решить проблему координации мультиагента за пределами доступных в настоящее время технологий. В дополнение к методу коллективного взаимодействия систем с несколькими роботами, проектирование и использование материалов, а также механизмы управления окружающей средой должны быть интегрированы и совместно разработаны для достижения совместного строительства.

Система, предложенная Имперским колледжем, называется Aerial AM, которая сочетает в себе механизм биологического сотрудничества с инженерными принципами и реализуется несколькими БПЛА.

Для достижения автономного аддитивного производства командам БПЛА необходимо параллельно разработать ряд ключевых технологий, в том числе: 1) воздушные роботы, способные к высокоточному нанесению материала и качеству печати, а также к качественной оценке в режиме реального времени; 2) Команды воздушных роботов могут транслировать друг другу свою деятельность, обмениваться данными по беспроводной сети и не мешать друг другу; 3) Автономная система навигации и планирования задач в сочетании со стратегией траектории печати адаптивно определяет и распределяет производственные задачи; 4) Разработайте или выберите планы материалов, особенно легких и пригодных для печати цементных смесей, подходящих для воздушных аддитивных методов производства без необходимости использования опалубки или временных лесов.

Aerial AM использует два типа платформ для воздушных роботов, которые называются BuilDrone и ScanDrone соответственно. BuilDrone используется для укладки физических материалов, а ScanDrone используется для выполнения поэтапного сканирования с воздуха и проверочного наблюдения после укладки каждого слоя материалов. Две платформы роботов координируются в соответствующих рабочих процессах с помощью распределенных многоагентных методов. Цикл строительства включает в себя характеристику производительности печати BuilDrones и ScanDrone в полете, адаптацию траектории в реальном времени и печать материалов BuilDrones, а также проверку эффекта печати ScanDrone и людьми-руководителями.

Рисунок 2. Структура Aerial AM для неограниченного и неограниченного AM.

Многоагентная структура Aerial AM, предложенная в новом исследовании, состоит из двух циклов, которые выполняются в запланированном медленном масштабе времени и в быстром масштабе работы в реальном времени, соответственно, для производства и наблюдения за ходом работ. В доказательстве концепции исследователи использовали систему бортового зрения Scandrone для проведения 3D-сканирования, чтобы отобразить прогресс, и использовали пенопластовые материалы для создания большого цилиндра.

Рис. 3. Aerial AM BuilDrone напечатал цилиндрическую геометрию высотой 2,05 м, включая 72 поездки по нанесению материала, а ScanDrone выполнил оценку печати в реальном времени.

Рисунок 4. Два BuildDrones используют дельта-манипуляторы с компенсацией ошибок для 3D-печати тонкостенных цилиндров для нанесения цементных материалов.

Рис. 5. Вращающаяся поверхность в форме купола виртуальной печати Aerial AM с несколькими роботами. а. C — траектория полета, b и d — вид сверху и вид в перспективе. F показывает результаты моделирования использования 15 роботов для печати увеличенной геометрии с диаметром дна 15 м.

Благодаря нанесению материала с помощью BuilDrone и качественной оценке структуры печати в режиме реального времени с помощью ScanDrone исследователи успешно напечатали цилиндр высотой до 2,05 метра, доказав способность метода Aerial AM производить большие геометрические объекты. Эксперимент по изготовлению цементного тонкостенного цилиндра доказывает, что соединение самоустанавливающегося параллельного дельта-манипулятора и BuilDrone позволяет наносить материалы с высокой точностью (максимальная погрешность положения 5 мм) в горизонтальном и вертикальном направлениях, что находится в допустимом диапазоне. Британские архитектурные требования.

Виртуальный трек AM и результаты моделирования показывают, что платформа Aerial AM может эффективно печатать различные геометрические формы за счет параллельного производства нескольких роботов, устранять перегрузки и выполнять полную адаптацию в нештатных условиях.

Хотя эти эксперименты успешно подтвердили осуществимость Aerial AM, они являются лишь первым шагом к изучению потенциала использования воздушных роботов для строительства. Исследователи заявили, что для реализации 3D-печатного производства БПЛА необходимо добиться значительного прогресса в робототехнике и материаловедении, особенно в передовых областях, таких как нанесение вспомогательных материалов, отверждение активных материалов и распределение задач между несколько роботов.

Для самого БПЛА, чтобы результаты исследований вышли за пределы лаборатории, исследователи планируют внедрить мультисенсорную систему одновременного позиционирования и картографирования (SLAM) с дифференциальной системой глобального позиционирования (GPS) для обеспечения достаточного позиционирования на открытом воздухе.

После внедрения на практике Aerial AM может стать альтернативным способом поддержки строительства жилья и важной инфраструктуры в отдаленных районах.

Справочная ссылка:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

https://www.technologyreview.com/2022/09/21/1059864/drones-3d-print-tower/

Оригинальное название: Строительство дома с помощью совместной 3D-печати с несколькими БПЛА и исследования природного покрова.